凸輪機構(gòu)設(shè)計

1、一、緒論 11.1 凸輪機構(gòu)概述 11.2 凸輪機構(gòu)課題研究背景及意義 11.3 凸輪三維造型技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 31.4于特征的凸輪機構(gòu) CAD 開發(fā)的程序設(shè)計 32、1 系統(tǒng)開發(fā)平臺 32、2 盤形凸輪基圓半徑的確定 32、3 設(shè)計凸輪輪廓曲線 42、4 盤形凸輪 CAM52、5 舉例及應(yīng)用一偏置直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)的設(shè)計7三、實例模型一一基于凸輪機構(gòu) CAD 特征的三維設(shè)計與實現(xiàn)83、1 盤形凸輪輪廓設(shè)計 83、2 凸輪機構(gòu)動態(tài)模擬 14四、總結(jié) 15五、參考文獻(xiàn) 161 緒論 1、1 凸輪機構(gòu)概述低副機構(gòu)一般只能近似地實現(xiàn)給定運動規(guī)律，而且設(shè)計較為復(fù)雜。當(dāng)從動件的位移、速度和加速

2、度必須嚴(yán)格地按照預(yù)定規(guī)律變化，尤其當(dāng)原動件作連續(xù)運動而從動件必須作間歇運動時，則以采用凸輪機構(gòu)最為簡便。凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件或從動件系統(tǒng)和機架組成，凸輪通過直接接觸將預(yù)定的運動傳給從動件。凸輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，可以準(zhǔn)確實現(xiàn)要求的運動規(guī)律等優(yōu)點。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預(yù)期的運動規(guī)律。在各種機械，特別是自動機械和自動控制裝置中，廣泛地應(yīng)用著各種形式的凸輪機構(gòu)。凸輪機構(gòu)之所以能在各種自動機械中獲得廣泛的應(yīng)用，是因為它兼有傳動、導(dǎo)引及控制機構(gòu)的各種功能。當(dāng)凸輪機構(gòu)用于傳動機構(gòu)時，可以產(chǎn)生復(fù)雜的運動規(guī)律，包括變速范圍較大的非等速運動，以及暫時停留或各種步進(jìn)運動；凸輪機構(gòu)也適

3、宜于用作導(dǎo)引機構(gòu)，使工作部件產(chǎn)生復(fù)雜的軌跡或平面運動；當(dāng)凸輪機構(gòu)用作控制機構(gòu)時，可以控制執(zhí)行機構(gòu)的自動工作循環(huán)。因此凸輪機構(gòu)的設(shè)計和制造方法對現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的意義。1、2 凸輪機構(gòu)課題研究背景及意義早期的工程技術(shù)人員大多采用作圖法繪制凸輪輪廓，這種方法的效率低、精度差、很難精確地得到壓力角和曲率半徑等設(shè)計參數(shù)。在 CAD 二維設(shè)計階段， CAD 的作用僅僅是使工程人員得以擺脫煩瑣、 精度低的手工繪圖，可重復(fù)利用已有的設(shè)計方案。而如今的 CAD 三維設(shè)計與CAM 集成化，使工程人員可以從三維建模開始，進(jìn)行產(chǎn)品構(gòu)思設(shè)計和制圖，實現(xiàn)了設(shè)計數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴a(chǎn)的過程，大大簡化了手工工作環(huán)節(jié)。由于計算

4、機技術(shù)和各種數(shù)值計算的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。利用參數(shù)化技術(shù)三維 CAD 可以繪制精確的凸輪。參數(shù)化設(shè)計具有造型精確，造型速度快，避免了手工取點造型的復(fù)雜過程，完成三維實體模型可以不斷的修改的特點。由于電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在某些設(shè)備的控制元件可以采用電子元器件，但他們一般只能傳遞較小的功率，而凸輪機構(gòu)卻能在實現(xiàn)控制功能的同時傳遞較大的功率。因此，凸輪機構(gòu)在生產(chǎn)中具有無可替代的優(yōu)越性，尤其在高速度、高精度傳動與分度機構(gòu)及引導(dǎo)機構(gòu)中，更有突出的優(yōu)點?？梢哉f，對凸輪機構(gòu)的進(jìn)一步研究，特別是對高速凸輪機構(gòu)及其動力學(xué)問題的進(jìn)一步研究，是長期、持續(xù)并有重大意義的工作。現(xiàn)代三維 CAD 已經(jīng)輻射到對

5、整個制造企業(yè)生產(chǎn)、 管理進(jìn)行全方位的輔助， 對制造業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。1、3 凸輪三維造型技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩rCAD 技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，利用 CAD 技術(shù)可以起到提高企業(yè)的設(shè)計效率、優(yōu)化設(shè)計方案、減輕技術(shù)人員的勞動強度、縮短設(shè)計周期、加強設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化等作用。本文在研究基于特征的三維 CAD 理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一個擴(kuò)充性、開放性、復(fù)用性和維護(hù)性良好的 CAD 軟件系統(tǒng)。并在 CAD 技術(shù)理論和 CAD 軟件體系結(jié)構(gòu)上，做出了許多具有重要意義的工作。本課題利用了基于 Windows 平臺開發(fā)的 VisualBasic 語言來進(jìn)行凸輪的參數(shù)化設(shè)計。程序的目的就是在VisualB

6、asic 中輸入凸輪的有關(guān)參數(shù)，由 SolidWorks2005 來自動生成凸輪實體。程序提供了良好的輸入界面，操作簡單、方便。與以往的手工凸輪設(shè)計相比較，參數(shù)化的設(shè)計方法具有效率高，凸輪輪廓精度高，設(shè)計時間短等特點。二、基于特征的凸輪機構(gòu) CAD 開發(fā)的程序設(shè)計2、1 系統(tǒng)開發(fā)平臺CAXA 電子圖板(下稱 EB)是一個通用的二維 CAEB 件， 它有一個很好的功能-畫公式曲線， 只要在公式曲線的對話框中填入曲線公式及相關(guān)參數(shù)就可以畫出曲線。這樣就可以很容易地完成凸輪廓形曲線的設(shè)計，而無需任何形式的語言編程。下面介紹作圖法設(shè)計盤形凸輪的過程，其中的所有作圖過程完全是在 EB 上交互作圖完成。已

7、知推桿運動規(guī)律 S、最大行程 h 或 0max 以及升程許用壓力角%1和回程許用壓力角%2,用作圖法設(shè)計盤形凸輪輪廓有兩個步驟：先要確定凸輪基圓半徑 r0,然后再求凸輪輪廓廓形。2、2 盤形凸輪基圓半徑的確定2、2、1 直動推桿盤形凸輪的最小基圓半徑首先在直角坐標(biāo)系中作曲線 CX=SY=dS/dS其中 S=S(S),5 為凸輪轉(zhuǎn)角。此曲線可用 EB 的公式曲線功能來實現(xiàn)。其次作兩條直線與 X 軸成升程許用壓力角%1和回程許用壓力角%2,且與所作曲線相切，則有交點 A,那么就有 OA=r0min,如圖1 所示。圖 1 中陰影部分為凸輪回轉(zhuǎn)中心的可行區(qū)。以此為基礎(chǔ)將偏心距 e 及 OA 進(jìn)行圓整，

8、就可確定基圓半徑，即取 r0=OA12、2、2 擺動推桿盤形凸輪的最小基圓半徑由文獻(xiàn)1可知，先在直角坐標(biāo)系中作曲線 C1X=pcos0Y=psin0 且p=L(1+d(|)/d8)0=(|),其中擺桿的擺角 0=0(S),L 為擺桿的長度。如圖 2 所示，用 EB 的圓形陣列畫法過 O 點在最大擺動角max 做 N 條等分射線，與曲線的推程和回程段分別交于 DC 點。再過 D 點做直線 mmW 直線OD 成 0 角(0=90-%1),過 C 點做直線 nn 與直線 OC 成 01 角(01=90-%2),則圖 2 中的陰影部分為凸輪回轉(zhuǎn)中心的可行區(qū)，且 O1A=r0min。以此為基礎(chǔ)將 O1A

9、 及中心距 a 進(jìn)行圓整，就可得到基圓半徑 r0=O2A2、3 設(shè)計凸輪輪廓曲線當(dāng)確定了凸輪基圓半徑 r0,并已知推桿運動規(guī)律及盤形凸輪輪廓曲線的解析公式1,就可用 EB 中的公式曲線功能來畫出凸輪輪廓曲線。2、3、1 直動滾子推桿盤形凸輪設(shè)計先作出滾子中心的理論輪廓曲線。X=(S0+S)sinS+e-cosSY=(S0+S)cosS+e-sinS其中，因為工作廓線與理論廓線在法線方向的距離處處相等，且等于滾子半徑。那么工作廓線為理論廓線的等距線。為了確定滾子半徑 rr,用三點畫圓的畫法在理論輪廓曲線曲率最大的位置取三點求出pmin,使rr=0.8pmin。這樣一來，在 EB 中作出理論廓線，

10、再用 EB 中的畫等距線的功能畫出工作廓線(距離為 rr),則完成了該凸輪的輪廓曲線設(shè)計。2、3、2 對心平底推桿(平底與推桿軸線垂直)盤形凸輪設(shè)計根據(jù)反轉(zhuǎn)法作圖法可知，推桿平底與凸輪切點的軌跡為凸輪的輪廓曲線。此時，平面凸輪機構(gòu)壓力角與凸輪的基圓半徑及從動件的運動規(guī)律無關(guān)?；鶊A半徑由實際工作情況決定，其廓形曲線的解析方程為：X=(r0+s)sinS+(dS/dS)cosSY=(r0+s)cosS-(dS/dS)sinS 式中 S=S(S)。2、3、3 擺動滾子推桿盤形凸輪設(shè)計已知擺桿的長度 L,擺桿運動規(guī)律 0=0(S)o先由上述方法確定基圓r0 以及中心距 a。然后作出滾子中心 B 點的理

11、論輪廓曲線，曲線方程如下：X=a-sin8-L-sin(8+(|)+d0)Y=a-cos8-L-cos(S+0)利用 EB 繪出理論廓線后，再確定滾子半徑 rr 的數(shù)值，然后做它的等距線，則為此凸輪的實際輪廓曲線。有了凸輪廓形曲線之后，再進(jìn)行其結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸標(biāo)注等工作就完成了凸輪設(shè)計。2、4 盤形凸輪 CAM盤形凸輪的廓形曲線為二維曲線，可采用兩軸聯(lián)動的數(shù)控銃(或加工中心)、線切割機床加工，具加工程序可采用通用的 CAM 軟件自動編制。本文選用 CAXAC 列 CA 湫件中的數(shù)控銃(MILL)及線切割(WEDM 進(jìn)行加工程序編制。2、4、1CAD/CA 激據(jù)轉(zhuǎn)換CAXA-EB 勺圖形文彳格式為

12、*EXB。由于開發(fā)時間的先后及版本不同,不同版本的 EB 圖形文件不一定能被 CAX 麻列的 CAMC 件直接讀取。因此圖形數(shù)據(jù)應(yīng)使用 DXF 接口進(jìn)行交換。 先在 EB 中將圖形用數(shù)據(jù)接口中的 DXFOUT令以 DX 嘴式輸出，然后在 CA 峨件中用數(shù)據(jù)接口中的 DXFIN 命令讀入。盡管 EB 的圖形可能是用某一個非 1:1 的比例繪制的，但其轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)仍是1:1 的原始數(shù)據(jù)， 這就可以保證由 CA 楸件生成的 NC 代碼所加工的凸輪尺寸的正確性。2、4、2 加工代碼的生成當(dāng)用 CA 楸件從 CAD 勺圖形文件中讀入了凸輪廓形曲線數(shù)據(jù)之后， 就可以進(jìn)行加工程序編制。其過程如下：先交互指定

13、欲加工的廓形曲線及走刀方向、加工側(cè)，并給出加工參數(shù)，計算機自動計算出刀位軌跡；必要時可以對生成的刀位軌跡進(jìn)行編輯修改，在計算機屏幕上進(jìn)行加工過程仿真；最后根據(jù)選用的數(shù)控機床交互輸入后置處理數(shù)據(jù)，計算機自動生成加工代碼。線切割加工有快走絲、慢走絲兩種不同類型的控制系統(tǒng)（機床）。國產(chǎn)快走絲機床采用 3B 格式代碼程序，而慢走絲機床采用 G 代碼程序。因此，應(yīng)用 CAXA-WED 除件編制凸輪廓形線切割程序時，若用快走絲加工，不需填寫后置處理參數(shù)表；若用慢走絲機床，則要按 WEDMf 通用后置輸入?yún)?shù)值。采用數(shù)控銃加工凸輪廓形時， 應(yīng)用 CAXA-MILL寫加工程序， 當(dāng)指定了欲加工的廓形曲線后，應(yīng)

14、輸入加工參數(shù)，如刀具參數(shù)、加工精度、插補方式等。 CAXA-MILL 的后置處理是一個通用后置， 使用時應(yīng)按所選機床輸入相關(guān)的參數(shù)。使用 CAX 原列 CA 喊件編寫加工程序非常簡單，本文不作詳述。2、5 舉例及應(yīng)用設(shè)計一偏置直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)。凸輪角速度(o1=1rad/s,逆時針轉(zhuǎn)向，推桿最大行程 h=25mm 凸輪推程運動角 50=120,運動規(guī)律為正弦加速度運動，遠(yuǎn)休止角 S01=60,凸輪回程運動規(guī)律為余弦加速度運動，回程運動角度 5=120,近休止角 S02=60,許用壓力角%1=30、%2=60。(1)確定理論輪廓曲線的基圓半徑由前述方法，作出確定基圓半徑的曲線。推程：X=

15、25(3S/2 兀)-sin(35)/2 兀Y=251-cos(35)/(2 兀/3)(052 兀/3)回程：X=251+cos(3S/2)/2Y=-25 兀 sin(3S/2)/(4 兀/)(052 兀/3)用 EB 做圖可得 r0min=OO1=15.584mm 且 O1 點 e=11.416mm 取整后可在可行區(qū)內(nèi)取一點 r0=20mme=10mm 則 S0=17.32mm(2)做凸輪的輪廓曲線凸輪的理論輪廓曲線方程為分段方程。推程：X=17.32+25(3S/2 兀)-sin(35)/2兀sinS+10cosSY=17.32+25(3S/2 兀)-sin(35)/2 兀cosS-10s

16、inS 式中0S2%/3o回程：X=17.32+251+cos(3(S-兀)/2)/2sinS+10cosSY=17.32+251+cos(3(S-兀)/2)/2cosS-10sinS 式中Tt(557t/3o遠(yuǎn)、近休止部分為兩段以 O 為圓心的圓弧曲線。然后在凸輪理論輪廓曲線上作出 pmin=13.5mm 所以可取 rr=5mmt 最后做出凸輪實際輪廓曲線（如圖 3 所示）。圖 4 為此凸輪的零件圖三、基于特征的三維凸輪機構(gòu)CAD 的設(shè)計與實現(xiàn)凸輪在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。對于各種不同的機械，凸輪工作輪廓可以用解析法設(shè)計，也可以用圖解法繪制。當(dāng)用解析法設(shè)計時，必須針對某一特定形式專門編程計算，耗時巨

17、大，且程序重復(fù)使用的可能性很小。而圖解法簡單易行，一般的機械用圖解法設(shè)計已能滿足使用要求。3、1 盤形凸輪輪廓設(shè)計下面以尖頂對心直動從動件盤形凸輪為例，介紹凸輪輪廓設(shè)計的全過程。已知凸輪以等角速度順時針方向轉(zhuǎn)動， 基圓半徑 rb=30min,從動件運動規(guī)律如表 1 所示。表 1 從動件運動規(guī)律凸輪轉(zhuǎn)角/口-叱孫 1 刃/150-330330-360從動性運融等速上升 30 岸 停止不動口等加速等減速下降到原處， 停止不動/1、創(chuàng)建基圓與從動件在新建的.max 文件中，用 ciecle 命令創(chuàng)建半徑為 30mm 的圓作為基圓，用 box 命令創(chuàng)建一個長方體作為從動件，為方便作圖，然后用 box

18、命令創(chuàng)建輔助桿件，并將輔助桿件的中心坐標(biāo)從其幾何中心位置移至基圓中心位置；使用 Align 命令將它們對齊，并最終確定它們的初始相對位置如圖 1 所示圖 12、繪制位移線圖在 TrackView 中， 將從動件沿其 Z 方向的移動軌跡按從動件運動規(guī)律編輯成如圖 2 所示的位移線圖。編輯的過程首先需要設(shè)置幾個關(guān)鍵點，然后根據(jù)從動件運動規(guī)律的要求，編輯各關(guān)鍵點的動畫值以及在關(guān)鍵點處的切線類型，將點擬合成所需要的運動曲線。當(dāng)移動時間滑塊時，從動件按要求的運動規(guī)律上下往復(fù)運動。圖 23、確定反轉(zhuǎn)過程中從動件的端部位置圖 3移動時間滑塊至某一點（如第 30 幀），如圖 3 所示，從動件將上升一段距離。使

19、用“SelectandUniformScale 命令并同時按下“shi 健將輔助桿件沿Y 軸方向伸長至從動件端部位置并復(fù)制。然后，用“Rotate命令將復(fù)制的輔助桿件反方向轉(zhuǎn)動 30o,如圖 4 所示。以同樣的方法確定出從動件端部的若干位置，如圖 5 所示。圖 45 5圖4、繪制凸輪工作輪廓打開捕捉。用“NURBSCurve/PointCurve 命令依次捕捉輔助桿件的端部位置，并畫平滑曲線即凸輪輪廓曲線。如圖 6 所示用“Extrude#令拉伸曲線，得盤形凸輪。如圖 7圖 73、2 凸輪機構(gòu)動態(tài)模擬建立凸輪機構(gòu)運動模型，可以將凸輪與從動件的轉(zhuǎn)動與往復(fù)移動分別按各自的運動規(guī)律設(shè)置成動畫，并且使兩個構(gòu)件在初始狀態(tài)處于正確的相對位置。這樣，當(dāng)動畫打開后，屏幕上所顯示的就儼然是凸輪的轉(zhuǎn)動帶動從動件往復(fù)移動了。由上面可知，從動件已經(jīng)是按要求